Novità COMSOL Multiphysics^® versione 6.4

Per gli utenti del Battery Design Module, la versione 6.4 di COMSOL Multiphysics^® introduce nuove variabili di perdita di potenza, la possibilità di definire cicli di carica-scarica arbitrari e una modellazione significativamente più intuitiva e accurata del trasferimento di calore nelle batterie prismatiche. Proseguite la lettura per ulteriori dettagli su questi aggiornamenti.

Variabili di valutazione della perdita di potenza

Ora è possibile valutare l'entità delle perdite di potenza totali in una cella di batteria e confrontare le perdite tra i singoli componenti, come il separatore, l'elettrodo e il conduttore di corrente, utilizzando le variabili di perdita di potenza introdotte nelle interfacce Electrochemistry. Queste variabili possono anche essere utilizzate per calcolare l'efficienza energetica di andata e ritorno di una cella di batteria in un ciclo di carico e scarico, integrando le perdite di potenza nel tempo.

Le perdite di potenza sono definite in base alle perdite nell'energia libera di Gibbs di tutte le specie che reagiscono e vengono trasportate, consentendo la differenziazione tra perdite ohmiche, di concentrazione e di attivazione. Nelle interfacce delle batterie che supportano l'intercalazione delle particelle, sono definite anche variabili separate di perdita di trasporto per intercalazione. Queste variabili sono disponibili localmente su domini e confini, come valori integrati sull'intera cella o per singolo nodo dell'albero del modello. I contributi di sovrapotenziale di ciascun meccanismo di perdita (ohmico, di attivazione e di trasporto) possono essere calcolati dividendo per la corrente totale.

Questa funzionalità può essere visualizzata nel nuovo tutorial Power Losses in a Lithium-Ion Battery.

Perdite di potenza relative all'elettrodo negativo, al separatore e all'elettrodo positivo in una batteria agli ioni di litio sottoposta a un test di caratterizzazione della potenza a impulsi ibridi.

Ciclo di carico

Per semplificare la configurazione di schemi di ciclo complessi, è stata aggiunta una nuova funzione Load Cycle per la maggior parte delle interfacce Electrochemistry. Questa funzione può essere utilizzata per definire cicli di carico e scarico arbitrari, in cui è possibile aggiungere in qualsiasi sequenza fasi di Voltage, Power, Current, C-rate e Rest. Per ogni fase del ciclo di carico, è possibile definire uno o più criteri di continuazione o interruzione (commutazione) dinamici, che possono essere basati su limiti di tempo, tensione o corrente, nonché su condizioni definite dall'utente utilizzando espressioni variabili arbitrarie. Oltre alle versatili opzioni di definizione del ciclo di carico, la nuova funzione consente anche la definizione automatica delle sonde di corrente e tensione, nonché delle condizioni di arresto del solutore.

Con la sottofunzione Subloop è possibile, ad esempio, combinare test di ciclo di carica-scarica a lungo termine con test di prestazione di riferimento. Si noti che le sottofunzioni Power e Subloop sono disponibili solo nel Battery Design Module e nel Fuel Cell & Electrolyzer Module.

I seguenti tutorial sono stati aggiornati per illustrare questa funzionalità:

• li_battery_1d
• lib_base_model_1d
• lib_diffusion_induced_stress
• li_rate_capability
• lib_drive_cycle
• lib_single_particle
• li_battery_multiple_materials_1d
• li_plating_with_deformation
• zn_ago_battery_1d
• lithium_sulfur
• li_battery_thermal_2d_axi
• li_battery_thermal_3d
• li_battery_pack_3d

Modellazione della batteria utilizzando la nuova funzione Load Cycle. In questo modello, la sequenza del ciclo di carico è definita da una fase di corrente (scarica), una fase di riposo, una fase di corrente (carica) e una fase di riposo finale.

Trasferimento di calore nelle batterie prismatiche

Per facilitare la modellazione accurata del trasferimento di calore nelle batterie prismatiche, è stata aggiunta una nuova opzione di configurazione della struttura Flat-sided oval (prismatic) al nodo Battery Layers nelle interfacce Heat Transfer.

Con le sottofunzioni Semicylinder Selection e Rectangular Block Selection, la funzione Battery Layers è ora in grado di definire automaticamente i sistemi di coordinate cilindriche e cartesiane combinati necessari per specificare correttamente i tensori di conducibilità termica anisotropica nei jelly rolls delle batterie prismatiche. Ciò fornisce una descrizione accurata della conducibilità termica nel jelly roll, tenendo conto dei diversi strati dei componenti della batteria e del loro avvolgimento. È possibile visualizzare questa nuova funzionalità nei tutorial Liquid-Cooled Prismatic Battery Pack e Cooling of a Prismatic Battery.

Un modello di pacco batterie che utilizza la nuova opzione di configurazione della struttura Flat-sided oval (prismatic) per definire la conducibilità termica dei jelly roll.

Opzione modello Two Electrodes Battery Pack

Per modellare il comportamento dei singoli elettrodi in ciascuna cella di un pacco batterie, l'opzione modello Two electrodes, precedentemente disponibile nell'interfaccia Lumped Battery, è ora disponibile anche nell'interfaccia Battery Pack.

Questa opzione di modello può essere utilizzata per definire separatamente il potenziale dell'elettrodo, la capacità iniziale dell'host e il grado di conversione per i due elettrodi in ciascuna cella. Può anche essere utilizzata per definire le proprietà dei singoli elettrodi per tenere conto dei sovrapotenziali ohmici, di attivazione e di concentrazione. Quando sono inclusi i sovrapotenziali di concentrazione, il modello Two electrodes corrisponde a quello che nella letteratura è comunemente indicato come modello a particella singola (SPM). Si può visualizzare questa funzionalità nel nuovo tutorial Liquid-Cooled Prismatic Battery Pack.

Modello di pacco batterie che utilizza la nuova opzione Two electrodes per definire la composizione chimica delle celle.

Trasporto di elettroliti acquosi

Per la modellazione di elettroliti acquosi contenenti acidi deboli, basi deboli, anfolitici e specie complesse generiche, nonché per applicazioni quali la modellazione meccanicistica della corrosione, i modelli elettrochimici dei sistemi biologici e la modellazione dei sensori elettrochimici, una nuova interfaccia denominata Aqueous Electrolyte Transport calcola i campi di potenziale e di concentrazione delle specie in un elettrolita acquoso diluito. Il trasporto è definito dalle equazioni di Nernst-Planck, che incorporano diffusione, migrazione e convezione, insieme all'elettroneutralità e alla reazione di equilibrio di autoionizzazione dell'acqua (autoprotolisi). Grazie alla gestione più efficiente delle reazioni delle equazioni e alla maggiore facilità di configurazione del modello, in alcuni casi la nuova interfaccia può essere preferibile rispetto all'interfaccia più generica Tertiary Current Distribution, Nernst–Planck.

Definizione della stechiometria e della cinetica di una reazione elettrodica nell'interfaccia Aqueous Electrolyte Transport.

Inizializzazione automatica dei modelli di membrana a scambio ionico

Per garantire l'elettroneutralità e la conformità con gli equilibri di Donnan, la funzione Ion-Exchange Membrane nell'interfaccia Tertiary Current Distribution, Nernst–Planck ora include un'opzione Add Donnan shift to initial values. Questa opzione sposta automaticamente i valori iniziali di concentrazione e potenziale specificati nella funzione Initial Values per il nodo di dominio attivo Ion-Exchange Membrane, supponendo che i valori definiti dall'utente rappresentino i valori di un elettrolita liquido in equilibrio con la membrana. I valori iniziali spostati vengono quindi utilizzati come valori iniziali per il solutore. L'attivazione di questa opzione semplifica in genere la configurazione del modello, eliminando la necessità di spazzare la carica spaziale fissa della membrana fino a un valore diverso da zero desiderato attraverso un ulteriore passaggio dello studio. Si può visualizzare questa funzionalità nel tutorial Vanadium Redox Flow Battery.

Finestra delle impostazioni per la funzione Ion-Exchange Membrane nell'interfaccia Tertiary Current Distribution. La nuova opzione Add Donnan shift to initial values è abilitata per impostazione predefinita.

Condizione di periodicità

Una nuova funzione denominata Periodic Condition è stata aggiunta alle interfacce Darcy's Law e Richards' Equation per applicare facilmente la periodicità al flusso tra due o più contorni. Inoltre, è possibile creare una differenza di pressione tra i contorni di origine e destinazione, specificando direttamente il salto di pressione o prescrivendo un flusso di massa. La condizione di periodicità viene solitamente utilizzata per modellare elementi di volume rappresentativi e calcolare proprietà effettive da utilizzare in mezzi porosi omogeneizzati.

Utilizzo della nuova funzione Periodic Condition per stimare la permeabilità di un mezzo poroso costituito da una serie periodica di sfere.

Opzione Pressure Jump per l'accoppiamento Free and Porous Media Flow

L'accoppiamento Free and Porous Media Flow Coupling presenta una nuova opzione che consente di includere un salto di pressione attraverso il contorno libero-poroso. Ciò rende possibile modellare, ad esempio, la pressione osmotica su una membrana semipermeabile supportata da un materiale distanziatore poroso o un salto di pressione dovuto alla pressione capillare nel caso di flusso multifase.

Utilizzo della nuova opzione Include pressure jump across free–porous boundary per l'accoppiamento Free and Porous Media Flow Coupling per modellare la pressione osmotica su una membrana semipermeabile sottile in un'unità di desalinizzazione.

Tutorial nuovi e aggiornati

La versione 6.4 di COMSOL Multiphysics^® introduce diversi tutorial nuovi e aggiornati nel Battery Design Module.

Liquid-Cooled Prismatic Battery Pack

Modello di pacco batterie prismatico che mostra la distribuzione della temperatura nei jelly rolls, nei conduttori di corrente e nelle barre collettrici.

Titolo in Application Library:
prismatic_battery_pack_cooling
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Open-Circuit Voltage and Differential Voltage Modeling of a Lithium-Ion Battery

Tensione della cella in funzione dello stato di carica (SOC) da 0% a 100%. Le linee blu rappresentano la cella integra, mentre quelle verdi corrispondono a una cella con una perdita del 20% delle riserve di litio. Le linee continue indicano la tensione della cella, mentre quelle tratteggiate mostrano la tensione differenziale.

Titolo in Application Library:
lfp_voltage_hysteresis
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Voltage Hysteresis in a Lithium Iron Phosphate (LFP) Electrode

Tensione della cella vs. capacità durante il processo di delitiazione-litiazione.

Titolo in Application Library:
lfp_voltage_hysteresis
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Minimizing the Charging Time of a Lithium-Ion Battery

Caratteristiche di carica ottimali vs. iniziali. La linea blu continua rappresenta la funzione della velocità di carica ottimizzata (C-rate, asse y sinistro), che consente di caricare la batteria dallo 0% al 90% SOC in circa 26 minuti. Le corrispondenti correnti parassite di invecchiamento (linee verdi) sono riportate sull'asse y destro.

Titolo in Application Library:
lib_charge_rate_optimization
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Power Losses in a Lithium-Ion Battery

Perdite di potenza derivanti da diversi fenomeni in una batteria agli ioni di litio.

Titolo in Application Library:
lib_power_losses
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